Windows/Linux安装TensorFlow并实现多分类任务

姊妹篇：Windows/Linux安装PyTorch并实现多分类任务

安装Tensorflow

前言

配编程环境考察的是利用搜索引擎的能力。在配环境时，应该多参考几篇文章。有英文阅读能力的应该去参考官方给的配置教程。出了问题把问题的出错信息放到搜索引擎上去查。一般多踩几次坑，多花点时间，环境总能配好。

本文只能给出一个大概率可行的指导，不能覆盖所有情况。如果在执行本文的安装步骤时出了问题，请灵活使用搜索引擎。

配置深度学习编程框架时，强烈推荐配置GPU版本。本文会介绍TensorFlow GPU版本的配置。如果只想用CPU版本的话，跳过“CUDA与cuDNN”一节即可。

本文会同时介绍Windows和Linux下的安装方法。二者操作有区别的地方本文会特别强调，若没有强调则默认二者处理方法一致。

CUDA与cuDNN

CUDA是NVIDIA显卡的GPU编程语言。cuDNN是基于CUDA编写的GPU深度学习编程库。在使用深度学习编程框架时，我们一般都要装好CUDA和cuDNN。

这个安装步骤主要分三步：

1. 装显卡驱动
2. 装CUDA
3. 装cuDNN

其中，显卡驱动一般不需要手动安装，尤其是在自带了NVIDIA显卡的Windows电脑上。

显卡驱动

用nvidia-smi查看电脑的CUDA驱动最高支持版本。下图标出了命令运行成功后该信息所在位置：

如果命令能成功运行，记住这个信息。

如果这个命令失败了，就说明电脑需要重新安装显卡驱动。现在（2022年）CUDA的主流版本都是11.x，如果你发现驱动支持的最高版本偏低，也可以按照下面的步骤重新安装显卡驱动。

访问NVIDIA驱动官网：https://www.nvidia.cn/geforce/drivers/ 。在网站上，输入显卡型号和操作系统等信息，即可找到对应的驱动安装程序。

对于Windows，下载的是一个有GUI的安装器；对于Linux，下载的是一个shell脚本。如果你用的是Linux服务器，没有图形接口，可以先复制好下载链接，之后用wget下载脚本。

之后，运行安装器，按照指引即可完成驱动的安装。

注意，如果是带图形界面的Linux系统，可能要关闭图像界面再安装驱动。比如对于Ubuntu，一般要关闭nouveau再重启。请参考 https://zhuanlan.zhihu.com/p/59618999 等专门介绍Ubuntu显卡驱动安装的文章。

能够执行nvidia-smi后，执行该命令，找到驱动支持的最高CUDA版本。

CUDA

首先，我们要定一个CUDA安装版本。

CUDA安装版本的第一个限制是，该版本不能大于刚刚在nvidia-smi中获取的最高CUDA版本。

第二个限制是，TensorFlow版本必须支持当前CUDA版本。在 https://www.tensorflow.org/install/source#gpu 中，可以找到TensorFlow与CUDA、cuDNN的版本对应表。这个表格仅表示了经过测试的CUDA版本，不代表其他CUDA版本就一定不行。

由于开发环境中可能会安装多个编程框架（TensorFlow，PyTorch），建议先安装一个比较常用、版本较高的CUDA，比如CUDA 11.1,11.2之类的。之后，让编程框架向CUDA版本妥协。

如果之后安装TensorFlow后发现CUDA版本不对应，可以尝试升级TensorFlow版本。如果TensorFlow实在是支持不了当前的CUDA版本，最后再考虑降级当前的CUDA版本。

选好了CUDA版本后，去 https://developer.nvidia.com/cuda-toolkit-archive 上下载CUDA安装器。同样，Windows和Linux分别会得到GUI安装器和shell脚本。

装完CUDA后，再控制台上输入nvcc -V。nvcc是CUDA专用的编译器，-V用于查询版本。如果这个命令能够运行，就说明CUDA已经装好了。以下是nvcc -V的输出：

cuDNN

打开下载网站 https://developer.nvidia.com/rdp/cudnn-download （最新版本） 或 https://developer.nvidia.com/rdp/cudnn-archive （历史版本）。注册账号并登录。

根据CUDA版本，找到合适版本的cuDNN。https://docs.nvidia.com/deeplearning/cudnn/archives/index.html 这个网站列出了每个cuDNN版本支持的CUDA版本(Support Matrix)。一般来说，可以去找最新的cuDNN，看它是否兼容当前的CUDA版本。如果不行，再考虑降级cuDNN。一般来说，CUDA 11.x 的兼容性都很好。

选好了cuDNN版本后，去上面的下载网站上下载最新或某个历史版本的cuDNN。注意，应该下载一个压缩文件，而不应该下载一个可执行文件。比如对于所有的Linux系统，都应该下载"xxx for Linux x86_64 (Tar)"

装CUDA和cuDNN，主要的目的是把它们的动态库放进环境变量里，把头文件放到系统头文件目录变量里。因此，下一步，我们要把cuDNN的文件放到系统能够找到的地方。由于CUDA的库目录、包含目录都会在安装时自动设置好，一种简单的配置方法是把cuDNN的文件放到CUDA的对应目录里。

对于Windows，我们要找到CUDA的安装目录，比如C:\Program Files\NVIDIA GPU Computing Toolkit\CUDA\v10.2。再找到刚刚cuDNN解压后的目录，比如D:\Download\cudnn-11.1-windows-x64-v8.0.4.30\cuda。把cuDNN目录下bin、include、lib里的文件分别复制到CUDA目录的对应文件夹中。

对于Linux，CUDA的安装目录一般是/usr/local/cuda。再找到cuDNN的解压目录，比如~/Downloads/cudnn-linux-x86_64-8.4.0.27_cuda11.6-archive。切换到cuDNN的根目录下，输入类似下面的命令：

sudo cp include/* /usr/local/cuda/include
sudo cp lib/lib* /usr/local/cuda/lib64
sudo chmod a+r /usr/local/cuda/include/*
sudo chmod a+r /usr/local/cuda/lib64/lib*

该命令用于把所有cuDNN的相关文件暴力复制到cuda的对应目录下，并修改它们的访问权限。一定要注意一下该命令中的路径，如果路径不对应的话要修改上述命令，比如有些cuDNN的库目录不叫lib而叫lib64。

如果大家对操作系统熟悉的话，可以灵活地把复制改为剪切或者软链接。

Anaconda

Anaconda可以让用户更好地管理Python包。反正大家都在用，我也一直在用。

无论是什么操作系统，都可以在这里下Anaconda：
https://www.anaconda.com/products/individual#Downloads

同样，Windows和Linux分别会得到GUI安装器和shell脚本。

下好了安装器后，按照默认配置安装即可。

安装完成后，下一步是打开有Anaconda环境的控制台。

在Windows下，点击任务栏中的搜索框，搜索Anaconda，打开Anaconda Powershell Prompt (Anaconda)或者Anaconda Prompt (Anaconda)。

在Linux下，新建一个命令行即可。

如果在命令行里看到了(base)，就说明安装成功了。

之后，要创建某个Python版本的虚拟环境，专门放我们用来做深度学习的Python库。该命令如下：

conda create --name {env_name} python={version}

比如我要创建一个名字叫pt，Python版本3.7的虚拟环境：

conda create --name pt python=3.7

创建完成后，使用下面的命令进入虚拟环境：

conda activate {env_name}

我的命令是：

conda activate pt

如果在命令行前面看到了({env_name})，就算是成功了：

完成上述步骤后，在VSCode里用ctrl+shift+p打开命令面板，输入select interpreter，找到Python: Select Interpreter这个选项，选择刚刚新建好的虚拟环境中的Python解释器。这样，新建VSCode的控制台时，控制台就能自动进入到conda虚拟环境里了。

TensorFlow

无论是GPU版还是CPU版，只需要在对应的虚拟环境中输入下面的命令即可：

pip install tensorflow

如果下载速度较慢，请更换conda和pip的下载源。可参考的教程很多，比如 https://blog.csdn.net/u011935830/article/details/10307 95。

如果显卡驱动和conda都装好了，执行完上面的命令后，GPU版TensorFlow也就装好了。打开Python，执行下面的命令（或者写一个.py文件再运行），即可验证GPU版安装是否成功。

import tensorflow as tf
tf.config.list_physical_devices('GPU')

如果最后输出了一大堆信息，最后一行是

[PhysicalDevice(name='/physical_device:GPU:0', device_type='GPU')]

，那么就说明GPU版的TensorFlow安装成功了。

VSCode代码补全

TensorFlow.keras在VSCode中无法生成代码补全，编程体验极差，不知道维护者在干什么东西。有人在issue中提出了解决方法。

打开tensorflow/__init__.py，添加以下内容：

if _typing.TYPE_CHECKING:
  from tensorflow_estimator.python.estimator.api._v2 import estimator as estimator
  from keras.api._v2 import keras
  from keras.api._v2.keras import losses
  from keras.api._v2.keras import metrics
  from keras.api._v2.keras import optimizers
  from keras.api._v2.keras import initializers

用TensorFlow实现多分类任务

每当学习一门新的编程技术时，程序员们都会完成一个"Hello World"项目。让我们完成一个简单的点集多分类任务，作为TensorFlow的入门项目。这个项目只会用到比较底层的函数，而不会使用框架的高级特性，可以轻松地翻译成纯NumPy或者其他框架的实现。

在这个项目中，我们会学到以下和TensorFlow有关的知识：

• TensorFlow与NumPy的相互转换
• TensorFlow的常量与变量
• TensorFlow的常见运算（矩阵乘法、激活函数、误差）
• TensorFlow的初始化器
• TensorFlow的优化器
• TensorFlow保存梯度中间结果的方法
• one-hot与标签的相互转换

我们将按照程序运行的逻辑顺序，看看这个多分类器是怎么实现的。

如果你看过我前几周的代码实战文章，欢迎比较一下这周和之前的代码，看看相比NumPy，TensorFlow节约了多少代码。

欢迎在GitHub上面访问本项目。

数据集

这周，我们要用到一个平面点数据集。在平面上，有三种颜色不同的点。我们希望用TensorFlow编写的神经网络能够区分这三种点。

在项目中，我已经写好了生成数据集的函数。generate_points能根据数据集大小生成一个平面点数据集。generate_plot_set能生成最终测试平面上每一个“像素”的测试集。使用这两个函数，得到的X的形状为[2, m]（因为是平面点，所以只有两个通道），Y的形状为[1, m]。Y的元素是0-2的标签，分别表示红、绿、蓝三种颜色的点。

train_X, train_Y = generate_points(400)
plot_X = generate_plot_set()

# X: [2, m]
# Y: [1, m]

数据预处理与TensorFlow转换

我们刚刚得到的X, Y都是NumPy数组，我们要把它们转换成TensorFlow认识的数据结构。

TensorFlow用起来和C++很像，我们要决定一个数据是变量还是常量。由于X是不可变的训练数据，它应该属于常量。因此，我们用下面的语句把它转换成TensorFlow的常量。

train_X_tf = tf.constant(train_X, dtype=tf.float32)

TensorFlow常量的类型名叫做tf.Tensor，也就是说train_X_tf是一个tf.Tensor。

而在使用Y时，我们要加一步转换到one-hot编码的步骤。回忆本周笔记中有关多分类loss的知识，这里的Y是一个整型数组，表示每个数据的类别。而在loss的计算中，我们需要把每个整数转换成一个one-hot向量，得到一个one-hot向量的向量。

因此，我们可以用下面的代码把Y预处理并转换成TensorFlow的数据结构：

train_Y_tf = tf.transpose(tf.one_hot(train_Y.squeeze(0), 3))

tf.one_hot()用于生成one-hot编码，其第二个参数为总类别数。我们的数据集有3种点，因此取3。tf.one_hot()的输出是一个[m, 3]形状的张量，我们要把它tf.transpose转置一下，得到与其他代码相匹配的[3, m]张量。

顺带一提，由于tf.one_hot是一个TensorFlow的运算，如果输入是一个numpy数组，输出会被自动转换成一个TensorFlow的常量tf.Tensor。所以，Y的类型也是tf.Tensor。

经过上述操作，X, Y再被送入TensorFlow模型之前的形状是：

# X: [2, m]
# Y: [3, m]

TensorFlow多分类模型

处理完了数据，接下来，我们就要定义神经网络了。在神经网络中，我们要实现初始化、正向传播、误差、评估这四个方法。

初始化

class MulticlassClassificationNet():

    def __init__(self, neuron_cnt: List[int]):
        self.num_layer = len(neuron_cnt) - 1
        self.neuron_cnt = neuron_cnt
        self.W = []
        self.b = []
        initializer = tf.keras.initializers.HeNormal(seed=1)
        for i in range(self.num_layer):
            self.W.append(
                tf.Variable(
                    initializer(shape=(neuron_cnt[i + 1], neuron_cnt[i]))))
            self.b.append(
                tf.Variable(initializer(shape=(neuron_cnt[i + 1], 1))))
        self.trainable_vars = self.W + self.b

和之前一样，我们通过neuron_cnt指定神经网络包含输出层在内每一层的神经元数。之后，根据每一层的神经元数，我们就可以初始化参数W和b了。

使用TensorFlow，我们可以方便地完成一些高级初始化操作。比如我们要使用He Initialization，我们可以用tf.keras.initializers.HeNormal(seed=1)生成一个初始化器initializer，再用这个工具生成每一个初始化后的变量。

使用initializer(*shape)即可生成某形状的参数。由于参数是需要被优化更新的，我们需要用tf.Variable来把参数转换成可以优化的变量。

最后，我们用self.trainable_vars = self.W + self.b记录一下所有待优化变量，为之后的优化算法做准备。

正向传播

正向传播的写法很简单，只要在每层算一个矩阵乘法和一次加法，再经过激活函数即可（在这个神经网络中，隐藏层的激活函数默认使用ReLU）：

def forward(self, X):
    A = X
    for i in range(self.num_layer):
        Z = tf.matmul(self.W[i], A) + self.b[i]
        if i == self.num_layer - 1:
            A = tf.keras.activations.softmax(Z)
        else:
            A = tf.keras.activations.relu(Z)

在这份代码中,tf.matmul用于执行矩阵乘法，等价于np.dot。和NumPy里的张量一样，TensorFlow里的张量也可以直接用运算符+来完成加法。

做完了线性层的运算后，我们可以方便地调用tf.keras.activations里的激活函数完成激活操作。

值得一提的是，TensorFlow会自动帮我们计算导数。因此，之前我们在正向传播里保存中间运算结果的代码全都可以删掉。我们也不用再编写反向传播函数了。

损失函数

使用下面的代码可以在一行内算完损失函数：

def loss(self, Y, Y_hat):
    return tf.reduce_mean(
        tf.keras.losses.categorical_crossentropy(
            tf.transpose(Y),tf.transpose(Y_hat)))

tf.keras.losses.categorical_crossentropy就是多分类使用的交叉熵误差。由于这个函数要求输入的形状为[num_samples, num_classes]，和我们的定义相反，我们要把两个输入都转置一下。算完误差后，我们用tf.reduce_mean算误差的平均数以得到最终的损失函数。这个函数等价于NumPy里用mean时令keepdims=False。

评估

为了监控网络的运行结果，我们可以手写一个评估网络正确率和误差的函数：

def evaluate(self, X, Y, return_loss=False):
    Y_hat = self.forward(X)
    Y_predict = tf.argmax(Y, 0)
    Y_hat_predict = tf.argmax(Y_hat, 0)
    res = tf.cast(Y_predict == Y_hat_predict, tf.float32)
    accuracy = tf.reduce_mean(res)
    if return_loss:
        loss = self.loss(Y, Y_hat)
        return accuracy, loss
    else:
        return accuracy

首先，我们使用Y_hat = self.forward(X)，根据X算出估计值Y_hat。之后我们就要对Y和Y_hat进行比较了。

Y和Y_hat都不是整数标签，而是用向量代表了标签。为了方便比较，我们要把它们转换回用整数表示的标签。这个转换函数是tf.argmax。

和数学里的定义一样，tf.argmax返回令函数最大的参数值。而对于数组来说，就是返回数组里值最大的下标值。tf.argmax的第一个参数是参与运算的张量，第二个参数是参与运算的维度。Y和Y_hat的形状是[3, m]，我们要把长度为3的向量转换回标签向量，因此应该对第一维进行运算（即维度0）。

得到了Y_predict, Y_hat_predict后，我们要比对它们以计算准确率。这时，我们可以用res = Y_predict == Y_hat_predict得到一个bool值的比对结果。TensorFlow的类型非常严格，bool值是无法参与普通运算的，我们要用tf.cast强制类型转换。由于最终的准确率是一个浮点数，我们要转换成tf.float32浮点类型。

最后，用accuracy = tf.reduce_mean(res)就可以得到准确率了。

由于我们前面写好了loss方法，计算loss时直接调用方法就行了。

模型训练

写完了模型，该训练模型了。下面是模型训练的主要代码：

def train(model: MulticlassClassificationNet,
          X,
          Y,
          step,
          learning_rate,
          print_interval=100):
    optimizer = tf.keras.optimizers.Adam(learning_rate)
    for s in range(step):
        with tf.GradientTape() as tape:
            Y_hat = model.forward(X)
            cost = model.loss(Y, Y_hat)
        grads = tape.gradient(cost, model.trainable_vars)
        optimizer.apply_gradients(zip(grads, model.trainable_vars))

TensorFlow使用一系列的优化器来维护梯度下降的过程。我们只需要用tf.keras.optimizers.Adam(learning_rate)即可获取一个Adam优化器。

接下来，我们看for s in range(step):里每一步更新参数的过程。

在TensorFlow里，为了计算梯度，我们要使用一个上下文with tf.GradientTape() as tape:。在这个上下文中，执行完运算后，所有Variable的求导中间结果都会被记录下来。因此，我们应该调用网络的前向传播和损失函数，完成整套的计算过程。

计算出损失函数后，我们用grads = tape.gradient(cost, model.trainable_vars)算出最终的梯度，并调用optimizer.apply_gradients(zip(grads, model.trainable_vars))更新参数。

可以看出，相比完全用NumPy实现，TensorFlow用起来十分方便。只要我们用心定义好了前向传播函数和损失函数，维护梯度和优化参数都可以交给编程框架来完成。

实验

做完了所有准备后，我们用下面的代码初始化模型并调用训练函数

n_x = 2
neuron_list = [n_x, 10, 10, 3]
model = MulticlassClassificationNet(neuron_list)
train(model, train_X_tf, train_Y_tf, 5000, 0.001, 1000)

这里要注意一下，由于数据有三种类别，神经网络最后一层必须是3个神经元。

网络训练完成后，我们用下面的代码把网络推理结果转换成可视化要用的NumPy结果：

plot_result = model.forward(plot_X)
plot_result = tf.argmax(plot_result, 0).numpy()
plot_result = np.expand_dims(plot_result, 0)

运行完plot_result = model.forward(plot_X)后，我们得到的是一个[3, m]的概率t矩阵。我们要用tf.argmax(plot_result, 0)把它转换回整型标签。

之后，我们对TensorFlow的张量调用.numpy()，即可使用我们熟悉的NumPy张量了。为了对齐可视化API的格式，我用expand_dims把最终的标签转换成了[1, m]的形状。

完成了转换，只需调用我写的可视化函数即可看出模型是怎样对二维平面分类的：

visualize(train_X, train_Y, plot_result)

我的一个运行结果如下：

只能说，神经网络实在太强啦。

附录：TensorFlow的GPU版本

在使用TensorFlow时，我唯一发现它比PyTorch更便捷的地方，就是TensorFlow能够自动选择运算时的设备。如果电脑按上面的流程装好了驱动、CUDA和cuDNN，TensorFlow就会很主动地把张量放到GPU上运算。而如果没有检测到GPU，TensorFlow也会用CPU计算。

如果想要手动管理张量的运算设备，可以参考下面的代码。当我想在CPU上初始化张量时：

with tf.device('/CPU:0'):
    a = tf.constant([[1.0, 2.0, 3.0], [4.0, 5.0, 6.0]])
    b = tf.constant([[1.0, 2.0], [3.0, 4.0], [5.0, 6.0]])

想初始化多个GPU中的某个GPU上的张量：

with tf.device('/device:GPU:2'):
    a = tf.constant([[1.0, 2.0, 3.0], [4.0, 5.0, 6.0]])
    b = tf.constant([[1.0, 2.0], [3.0, 4.0], [5.0, 6.0]])

这里GPU的名称可以用我们之前见过的tf.config.list_physical_devices('GPU')来查找：

>>> tf.config.list_physical_devices('GPU')
[PhysicalDevice(name='/physical_device:GPU:0', device_type='GPU')]

有趣的是，这个项目的代码用TensorFlow在GPU上运行，比我之前的NumPy项目用CPU运行还慢。感觉是这个项目的计算过于简单，GPU无法发挥性能上的优势。GPU计算的一些其他开销盖过了运算时间的减少。

总结

在这篇笔记中，我介绍了TensorFlow在Windows/Linux下的从零安装方法，并且介绍了一个简单的TensorFlow多分类项目。希望大家能通过这篇笔记，成功上手TensorFlow。

项目链接：https://github.com/SingleZombie/DL-Demos/tree/master/dldemos/MulticlassClassification